一座高楼每天都在轻微“摇晃”，一座大桥会随着车辆、风力和温度变化发生细微形变，一座历经千年的古建筑也会在岁月中悄然“呼吸”……

这些变化，大多数时候肉眼看不见、身体感觉不到，却真实记录着结构的健康状态。

有没有一种技术，能够像医生听诊一样，长期感知这些细微变化？在地震、强风等灾害来临时，迅速判断它们“伤得重不重”“还能不能继续使用”，甚至在风险扩大前主动预警？

变形风险智能感知与预警系统，就像给重大工程装上一套全天候工作的“智慧听诊器”：前端设备负责感知，数据网络负责传输，智能算法负责研判，数字孪生负责模拟推演，形成“监测—预警—评估—处置”安全防护链条，让难以察觉的风险变得可感知、可分析、可预警、可处置。系统以自主研发的一体化MEMS强震仪为核心，集成多源传感器构建稀疏结构监测台阵，并融合边缘计算、数字孪生、消息服务等技术。

变形风险智能感知与预警系统平台界面

结构体也有“心跳”，只是我们平时听不见

如果把一栋高楼、一座桥梁、一处古迹想象成一个巨大的“生命体”，它其实也有自己的“脉搏”。

车辆驶过桥面，会产生振动；大风吹过高层建筑，楼体会产生摆动；气温升降，桥梁和建筑材料会发生热胀冷缩；地基发生变化，结构可能出现细微沉降；当地震波抵达时，结构体更会产生不同程度的动力响应。

绝大多数情况下，这些变化非常微小，人们几乎没有感觉。

但对工程师而言，它们却是判断结构健康状况的重要“体征”。

这就像人去医院体检。一次心跳加快未必意味着生病，但如果把心率、血压、体温等指标长期记录下来，医生就更容易发现异常趋势。结构健康监测也是类似的道理——不仅要知道结构体“现在怎么样”，还要通过长期数据了解它“过去怎么样”“正在发生什么变化”。

因此，系统通过强震、位移、沉降、倾斜、温湿度等多类型监测手段，持续记录结构运行状态，逐步形成一份属于结构体自身的“数字健康档案”。以建筑结构应用为例，系统能够持续监测振动、倾斜、温湿度等变化，并通过全生命周期关键数据为安全评价、维护加固和日常管理提供依据。

大型桥梁典型结构台阵监测

过去，发现结构问题较多依赖定期检测和人工巡查，好比隔一段时间给建筑“做一次体检”；而智能感知系统要做的，则是让“定期体检”进一步向“连续健康管理”延伸。

“神经末梢”不一定越多越好，关键是布得准

给一座几十层甚至上百层的建筑做监测，是不是传感器装得越多越好？

并非如此。

如果把监测系统比作人的神经系统，传感器就是分布在结构各处的“神经末梢”。传感器过少，可能捕捉不到关键变化；但一味增加设备，不仅建设和维护成本提高，海量数据也会增加传输、分析和管理压力。

真正的技术难点，在于“少而精”。

系统通过优化测点布设，在关键受力位置和易损部位部署监测设备，以较少测点获取结构关键响应信息。

这有点像医生听诊——并不需要把听诊器贴满全身，只要找准关键位置，就能获得大量有价值的信息。

这种“轻量化”思路，也让结构监测从过去较为复杂的设备部署，向更加灵活、高效、低成本的工程应用发展，为更多结构体和基础设施接入城市安全感知网络创造条件。

传感器负责“听”，算法还要学会“听懂”

感知到数据只是第一步。

每天的风、车辆通行、机械运行、温度变化都会让结构体产生振动。如果每出现一次波动系统就报警，就像汽车稍微颠簸一下便亮起一排故障灯，不仅没有意义，反而会让真正的风险信号淹没在大量信息中。

所以，系统不仅要“听得到”，更要“听得懂”。

如果说前端传感器是“神经末梢”，那么智能分析平台就是整个系统的“智慧大脑”。系统采用“云—边—端”协同架构。简单理解，“端”负责现场感知，“边”负责就近快速处理，“云”承担数据汇聚、综合分析和服务应用，实现多源监测数据协同分析。

系统架构设计图

在此基础上，系统融合边缘计算、大数据分析等技术，同时引入数字孪生技术，为现实中的建筑建立一个对应的“数字分身”。系统能够利用数字模型开展地震情景模拟和结构受力分析，现实结构体状态发生变化时，系统通过传感器实时采集数据并驱动数字模型，在数字空间进行同步分析。

基于数据驱动的轻量化三维动态响应

基于结构实景的数字孪生可视化

毫米级变化，为什么值得关注？

体量宏大的大型工程，毫米级的结构形变是不是微不足道、可以忽略不计？

很多时候，恰恰不能。

结构风险往往不是突然出现的，一些异常可能首先表现为细微的位移、倾斜或振动特征变化。长期捕捉这些“小变化”，就有机会更早发现风险趋势。

系统融合北斗GNSS解算和多源数据协同分析，可开展毫米级结构形变监测与细微变化识别，并通过三维动态可视化、数字孪生和数据看板，将原本复杂的监测数据转化为更加直观的结构状态信息；当风险达到相应条件时，还可通过短信、语音、平台提示等方式推送信息。

于是，安全管理从“凭经验判断”，进一步走向“让数据说话”。

地震来了，系统能做什么？

真正考验一套结构安全系统的，是突发灾害发生的时刻。

地震发生后，人们最关心的问题往往不是“有没有震感”，而是：结构体有没有受损？哪里风险较高？还能不能继续使用？下一步应该怎么办？

依托边缘计算和大数据分析，系统能够在地震发生后快速分析结构响应，开展受损情况初步评估，并形成“震情快报、震害初评和应急建议”等信息，为应急决策提供技术支撑。

定制化平台产出服务

对于城市生命线工程，这种能力尤其重要。

交通、供水、供电、供气、通信等系统，就像城市的“血管”和“神经”。灾害发生后，哪些桥梁可以通行？哪些节点可能受损？这些判断直接关系救援效率和城市恢复速度。系统面向生命线工程，可结合工程类别、结构变形特点和规范要求开展综合监测，并利用快速评估结果辅助判断工程震后安全状态和使用条件。

这意味着，地震监测不只是告诉我们“哪里发生了地震”，还要进一步回答一个与公众安全更加直接的问题：地震之后，我们身边的重要工程怎么样了？

从高楼大桥到文物工厂，一套技术如何适应不同场景？

结构安全监测并不只属于桥梁。

在高层建筑里，它关注大风、地震等作用下的结构响应；在精密制造企业里，一些极其微小的振动就可能影响精密设备和生产环境；在古建筑和文物保护领域，监测又必须尽量减少对文物本体的干扰；在地下空间、水库大坝、页岩气场站等生命线工程，则更加关注灾害发生后的快速判断与应急联动。

文物保护监测

水库大坝监测

机场结构监测

换流站大型设备监测

同样是“感知”，不同场景关注的风险完全不同。

这正是系统强调多源感知、模块化和可扩展能力的重要原因。

在高精密制造场景中，系统可以监测建筑结构形变和地面微振动，通过长期数据分析帮助识别振动变化规律，并为生产连续性和震后恢复提供支撑；在文物保护中，则可遵循“最小干预”原则，通过自然振动信号、三维扫描等手段建立模型，并融合地质与建筑信息开展安全分析。

从一栋楼到一座桥，从精密厂房到历史建筑，从单体工程结构再到城市生命线网络，改变的是应用对象，不变的是一个核心逻辑：

先感知风险，再认识风险，最终更主动地应对风险。

给韧性城市装上更多“智慧听诊器”

一座城市，怎样才算真正“有韧性”？

就像一棵树面对风雨，既要经得起冲击，也要在风雨过后迅速恢复生机。对一座现代城市而言，“韧性”不仅意味着高楼建得牢、桥梁修得稳，更重要的是，当地震等突发灾害来临时，交通、供水、供电、供气、通信等关键系统能够尽可能保持运行，受损设施能够快速判断、及时处置，城市能够以更快速度恢复正常生活。

这就是“韧性城市”建设所追求的重要目标——让城市不仅能够抵御风险，更具备感知风险、应对冲击和快速恢复的能力。

而要做到这一点，首先要让城市能够及时“感知”自己的安全状态。

城市中的高楼、桥梁、重要建筑和基础设施彼此连接，就像人体的骨骼、血管和神经，共同维持城市正常运转。变形风险智能感知与预警系统，就像分布其中的一个个“智慧听诊器”，持续捕捉振动、倾斜、沉降、位移等变化。当越来越多重大工程接入感知网络，一个个独立的监测点便可以逐步织成城市安全运行的“感知神经网”。

目前，系统已拓展应用于高层建筑、大型桥梁、水库大坝、文物建筑、机场、精密制造等工程领域与应用场景，在全国20余个省份推广应用，并服务布达拉宫建筑群地震安全监测、中国地震科学实验场云南场区结构台阵布设等项目，相关技术还应用于核电站、高铁、天然气管网、输变电等生命线工程。

这些“智慧听诊器”不仅要听见城市的“心跳”，更要读懂其中的风险：平时记录运行状态，建立“健康档案”；发现异常及时预警；地震发生后快速分析结构响应，为应急处置提供依据。防震减灾由此从更多关注“灾后怎么办”，进一步向“灾前如何防、灾时如何判、灾后如何快速恢复”延伸。

从人工巡检到全天候智能感知，从单一监测到多源数据融合，从现实观测到数字孪生推演，从震后处置到“监测—预警—评估—处置”全链条防护，科技正在赋予城市更加敏锐的“神经末梢”和更加智慧的“安全大脑”。

让城市在风险来临前更有准备，在灾害冲击中更能承受，在灾害过后更快恢复——这既是“韧性”的生动含义，也是科技赋能城市防灾减灾的价值所在。

作者：杨江  湖北省地震局 正高级工程师

审核：李继业  黑龙江省地震局 正高级工程师

内容来自：中国地震学会

内容资源由项目单位提供